Untersuchungen zur lokalen Abscheidung von SiO x -Schichten mittels Plasmajet

Transkript

1 Untersuchungen zur lokalen Abscheidung von SiO x -Schichten mittels Plasmajet M. Janietz, Th. Arnold e.v. Permoserstraße 15, Leipzig 1

2 Inhalt Motivation Experimenteller Aufbau Plasma Abscheidung Schichtcharakterisierung Zusammenfassung 2

3 Motivation Vielseitige Einsatzmöglichkeiten von SiO x -Schichten: Dielektrikum in elektronischen Bauteilen Korrosionsschutzschicht Diffusionsbarrieschichten auf Verpackungsmaterial konkretes Ziel: Bearbeitung von Linsen und Gläsern Vorteile des Plasmajets: einfacher Aufbau Arbeit bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur Bearbeitung von nicht-plasmaätzbaren Gläsern möglich Ultrapräzise Bearbeitung - lokale Abscheidung im Nanometerbereich Einstellbarkeit der Brechzahl durch Variation der Gaszusammensetzung 3

4 Experimenteller Aufbau Gasflüsse He: O 2 : He + HMDSO: N 2 : sccm 0 20 sccm 0 20 sccm sccm MFC MFC MFC MFC Mikrowellenpulsquelle Frequenz f = 2,45 GHz Pulsbreite 5 μs Maximale Peakleistung S = W Mittlere Leistung M = 2,0 5,0 W xyz-bewegungssystem für Plasmajetquelle O 2 N 2 He HMDSO z y x Heizer Mikrowellenpulsquelle 4

5 Plasma - OES Intensität, a.u Si (288,2 nm) N 2 (337,1 nm) Intensität, a.u Si Wellenlänge in nm H (656,3 nm) He (587,6 nm) O (777,4 nm) Wellenlänge in nm 5

6 Plasma - OES N 2 He O 1 mm 2 mm 3 mm Abstand zur Düse 3 mm 6 mm Intensität, a.u. 4 mm 5 mm Position, mm 6

7 Abscheidung HMDSO (Hexamethyldisiloxan) Si 2 OC 6 H 18 ungiftige, farblose Flüssigkeit Siedepunkt 99 C Dampfdruck (98 mbar, 310 K) Dissoziation des Precursors im Plasma, u.a. durch atomaren Sauerstoff 2,5 mm [ Höhe des abgeschiedenen Materials, a.u. 9 mm 8 mm 7 mm 6 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm Abgeschiedene Menge: , mm³/s Umwandlungsgrad HMDSO SiO x : circa Position in mm 1 mm 7

8 Abscheidung - Parametereinfluss Abscheidungsrate, a.u ,3 W 2,5 W Abscheidungsrate, a.u Gasfluss von HMDSO + He, sccm Temperatur in Grad Celcius Anstieg der Abscheidungsrate mit Gasfluss des Precursors und Mikrowellenleistung Sinken der Abscheidungsrate bei steigender Substrattemperatur und wachsendem Abstand zur Düse 8

9 Schichtcharakterisierung - FTIR Absorption in a.u. gemessenes Spektrum Summe aller Fit-Komponenten Fit: Hydroxylgruppen Fit: Si-O Fit: Methylgruppen ω = 1068 cm -1 SiO 1,87 Stöchiometrie-Bestimmung ω( SiO x ) = x( cm ω Frequenz 1 ) Wellenzahl in cm -1 9

10 Schichtcharakterisierung - FTIR Absorption, a.u. 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 1 mm 3 mm 5 mm 7 mm 9 mm 11 mm 1077 cm -1 SiO 1, cm -1 SiO 1,67 Sauerstoffgehalt der Schichten hängt vom Abstand zur Düse ab Anteil der Methylgruppen steigt mit wachsendem Abstand 0,10 0,05 0, Wellenzahl, cm -1 10

11 Schichtcharakterisierung - FTIR 0,03 0,008 0,006 relativer CH 3 -Anteil 0,02 0,01 relative CH 3 -Intensität 0,004 0,002 0, Abstand, mm 0,000 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 HMDSO-Fluss, sccm Starke Zunahme des Methylgruppenanteils bei Schichten, die außerhalb der aktiven Plasmazone abgeschieden wurden Anstieg des Anteils von Methylgruppen mit steigendem Precursor-Fluss 11

12 Schichtcharakterisierung FTIR Intensität, a.u. 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 RT 180 C 340 C stark verringerter Anteil von Hydroxylgruppen bei steigender Substrattemperatur 0,05 0, Wellenzahl, cm -1 12

13 Schichtcharakterisierung - Ellipsometrie Bestimmung von Brechungsindex Schichtdicke Schichtdickeninhomogenität durch die Analyse der Polarisationsänderung von Licht Schichtmodell nach Cauchy-Gleichung B C n ( λ) = A λ 4 λ n Brechzahl, λ Wellenlänge, A, B, C Konst. Silizium Ψ in Grad Fit 70 Fit 75 Daten 70 Daten Δ in Grad Wellenlänge in nm 60 13

14 Schichtcharakterisierung - Ellipsometrie Anzahl Häufigkeit Brechzahl von Quarzglas: 1,46 (λ = 550 nm) (Cauchyparameter: A = 1,458, B = 0,00354 μm²) Bestimmte Brechzahlen niedriger als Tabellenwert für Siliziumdioxid 0 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45 Brechzahl (λ = 550 nm) Brechungsindex wird verändert von Hohlräumen (-) und Kohlenstoffrückständen (+) [van Hest, Thin Solid Films 449, 52] OH-Gruppen (-) [Yamagata, Mineralogical Journal 16, 1] 14

15 Schichtcharakterisierung - XRR Dichtebestimmung mit Röntgenreflektometrie Messung Fit Dichte 1,9 g/cm³ (amorphes SiO 2 : 2,2 g/cm³) Zählrate, cps abgeschiedene Schichten porös 1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 omega in Grad 15

16 Zusammenfassung Abscheidung von Siliziumsuboxid-Schichten mittels mikrowellenangeregtem Plasmajet Abscheidungsrate abhängig von diversen Parametern: Arbeitsabstand Plasmaenergie Gasflüsse Substrattemperatur Schichteigenschaften: Brechungsindex Schichtdicken bis zu 2 μm Kaum organische Rückstände Keine Partikel Porosität 16

17 Danksagung Dr. Gerlach (XRR-Messungen) Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 17